滚刀振动切削岩石动力学特性

为深入研究滚刀振动切削岩石动力学特性，开展了滚刀与岩石互作用力特性以及振动引入对滚刀切削破岩影响的分析，实验结果表明：切削破碎载荷呈近似的刚度双折线特征，滚刀与岩石之间存在弱接触和局部切削行为，适当的振动引入可以明显地提高滚刀切削破岩效率和降低滚刀扭矩。进而，基于弹簧、阻尼、质量块以及滑动器建立了滚刀振动切削岩石动力学模型，构建了包含滚刀与岩石之间五种相互作用形式的连续无量纲方程组，运用四阶龙格-库塔法求解微分方程组，获得了不同参数组合下系统的分岔图、速度、位移、庞加莱截面和相空间轨迹等，结合实验研究表明：所建立的动力学模型能够较好地重现滚刀振动切削岩石过程；破岩系统主要存在周期和混沌运动状态，混沌运动时破岩系统相空间轨迹杂乱，相轨迹没有确定的形状周期，位移和速度随时间变化也没有明显规律，破岩效率一般较低；当静态力、激振力幅值以及激振频率改变时，系统的运动状态和岩石破碎效率也随之发生变化，分析滚刀速度分岔图、岩石破碎位移获得了给定条件下静态力、激振力幅值以及激振频率的较优范围，它们对应的系统运动状态总是为P-1-I-1-Pr-1（滚刀在一个激振周期内碰撞岩石一次，且阶跃性破碎岩石一次）...     

基于Stribeck模型的自激系统分岔混沌特性研究

为了能够深入研究摩擦自激振动系统的振动-摩擦耦合动力学特性,建立基于Stribeck摩擦模型的质体 弹簧-带摩擦自激振动系统非线性动力学模型,利用数值仿真,研究自激振动系统在不同系统阻尼系数条件下,不同外部激励振幅和激励频率分别对自激振动系统分岔与混沌特性的影响。结果表明,当激励频率不变,无量纲激励振幅在0～1.5区间,系统持续准周期运动的时间随阻尼系数的增加而逐渐增长。振幅在10～11区间阻尼系数相对较小时,系统除倍周期分岔外还存在Hopf分岔;在阻尼系数相对较大时,系统为倍周期分岔。激励振幅不变,激励频率接近于派生系统固有频率时,为单周期同步振动;激励频率向大于派生系统固有频率方向变化时,为准周期运动;激励频率向小于派生系统固有频率方向变化时,为混沌运动。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

三质块冲击振动系统的周期运动稳定性与参数匹配

通过非线性振动理论定性分析和数值仿真方法对一类三质块冲击振动系统的动力学响应进行了研究。通过对参数的合理匹配证实了系统单周期运动的存在性和稳定性,并对不同参数下系统的周期运动和分岔特性进行了分析。结合Poincaré映射方法分析了该系统单周期运动的转迁规律以及通向混沌运动的途径,仿真结果表明:单周期运动随激振频率的递增发生了Hopf分岔,转迁为概周期运动。     

碰撞-渐进振动系统的亚谐振动与分岔分析

建立了碰撞-渐进振动系统的力学模型。分析了激振器和缓冲垫发生碰撞的类型,以及滑块渐进运动的条件。给出了系统可能呈现的4种运动状态的判断条件和运动微分方程。通过二维参数分岔分析,得到系统的各类周期振动在激振频率和预压量参数平面内的存在域及其分布规律。详细分析了1/n亚谐振动的分岔过程。当激振频率增大时,由于发生周期振动的实擦边分岔、虚擦边分岔或鞍结分岔等非光滑分岔,使得1/n亚谐振动的分岔过程变得更加复杂,而且受预压量的影响比较大。     

齿轮系统Rattling动力学行为研究

在考虑主动轴驱动转矩波动及齿轮副齿侧间隙的情况下,建立了单间隙齿轮系统Rattling分析的集中质量模型。计算了不同激励频率下齿轮系统振动性态随着激励幅值的增大而变化的规律。从计算得到的齿轮系统工作状态图,分析了齿轮系统振动噪声随着激励频率增大而变化的规律。计算结果还表明:激励频率在366.5 rad·s～1以下时,随着激励幅值的增大,齿轮系统由完全啮合状态的单周期振动直接激变为时而啮合时而脱啮碰撞状态的混沌振动,而在这一混沌区域内还有可能出现周期窗口;在完全脱啮的状态下,随着激励幅值的增大,某些激励频率下,依次出现单周期、三周期之后变为混沌振动;某些激励频率下,依次出现单周期、二周期、四周期的周期倍化变为混沌振动;以固有频率激振时,齿轮副在时而啮合时而脱啮碰撞的状态表现为四周期的周期振动,而且随着激励幅值的增大还会出现齿轮副完全啮合的单周期振动,之后又激变为完全脱啮的混沌振动,表现为更加复杂的非线性特征。     

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。     

单转向轮摆振非线性动力学研究

建立了单转向轮系统的非线性动力学微分方程;以常微分方程稳定性理论为基础,研究了系统参数对稳定性的影响;运用非线性动力学稳定性理论,阐明了单转向轮的等幅摆振是一种Hopf分岔后出现的稳定的极限环振动现象;计算了临界分岔参数和极限环半径,即摆振振幅;通过数值仿真,证明了自激振动的存在,当系统参数达到临界值时,发生Hopf分岔现象。     

简谐激励下输流管动态响应特性的实验研究

对两端受扭转弹簧约束的简支输流管在其支承简谐运动激励下的振动特性问题进行了实验研究,重点考察了不同流速下激振频率f变化对输流管道振动响应形态的影响规律。实验表明,在某些频率段上管道会发生多周期的复杂运动,并通过倍周期分岔而进入混沌运动。     

牙轮钻头旋转破岩引起的钻柱纵向振动研究

由于钻柱的大长径比特性,外加钻头破岩过程中井底凹凸不平,钻柱系统极易产生纵向振动。这类振动会加剧下部钻具失效、影响井身质量、浪费系统能量,最终降低钻井效率并增大钻井成本,甚至可能导致安全事故。在合理假设的基础上,通过建立牙轮钻头旋转破岩时钻柱纵向振动的力学模型,建立并求解其运动微分方程,得到钻柱的纵向振动响应。研究表明在阻尼作用下,钻头在具有初始位移后所引起的振动迅速衰减并趋于消失,钻头的实际纵向运动轨迹类似于正弦曲线。在50~120 r/min范围内(现场常用转速),振幅放大系数随着转速的增大而减小。由于正常钻进时激励频率远高于钻柱系统的固有振动频率,因此初始位移对钻头纵向振动的振幅放大系数影响比较小。     

Identifying bifurcation behavior during machining process for an irregular milling tool geometry

High-productivity machining processes cause tool and material defects and even damages in machine spindles. The onset of self-excited vibration, known as chatter, limits this high material removal rate. This chatter vibration refers to machining instability during cutting processes, which results in bifurcation behavior or nonlinear effect wherein the tool and the workpiece are not engaged with each other. In particular, bifurcation for low-radial immersion conditions can be easily promoted and identified. In this study, an experiment on an irregular milling tool as a variable helix and variable pitch geometry was conducted under a flexible workpiece condition. The bifurcation behavior from regenerative chatter was identified and quantified from displacement sensor and inductive sensor measurements. A series of cutting tests was used to measure the vibration signals, which were then analyzed based on the frequency spectrum, the one-per-revolution effect, and the Poincaré section. According to results, Hopf bifurcation and period-one bifurcation instabilities apparently occurred to validate chatter stability prediction through a semi-discretization method. However, period-doubling bifurcation was only determined during the unstable cutting of a uniform tool that was not in variable helix/pitch or an irregular milling tool. An irregular tool geometry caused the modulation of the regenerative effect to suppress chatter, and period-doubling instability could not be exhibited during cutting as a regular tool behavior. This period-one chatter instability of an irregular milling tool should be identified and avoided by practitioners to achieve high productivity in machining using the aforementioned irregular milling tools.     

多因素条件下单级齿轮系统的非线性特性

考虑啮合刚度、齿侧间隙和轴承支撑间隙等因素,运用集中质量法建立了三自由度直齿圆柱齿轮副弯扭耦合非线性振动模型,并据此研究了各参数对齿轮系统非线性振动特性的影响。结果表明：齿侧间隙一定时,随着频率的升高,系统由周期运动通过激变直接进入混沌,然后又由混沌通过激变变为周期运动;在周期运动中,系统经过倍周期分岔,由双周期运动变为四周期运动,然后又通过逆倍周期分岔,由四周期运动变为双周期运动,之后又由双周期运动变为单周期运动;不同的输入转频条件下,间隙变化使系统表现出不同分岔特性,在某些特定频率下,间隙变化只增加系统响应能量变化,并不改变其动力学特性。     

轧制力动态特性影响下的轧机辊系振动行为研究

考虑受辊系振动影响时轧制力的动态特性,建立了板带轧机辊系非线性振动模型。采用平均法求解得到振动系统的幅频响应,分析不同轧制速度和外激励幅值对幅频特性的影响规律。运用奇异性理论分析振动系统静态分岔行为,得到系统分岔的转迁集以及出现不同振动形态的临界条件。以轧制速度为分岔参数,研究轧机辊系振动系统动态分岔特性。结果表明：轧机辊系振动行为对轧制速度变化十分敏感,振动幅值随着外激励幅值和轧制速度增大而增大,系统不稳定频率范围随着轧制速度提高而减小,随外激励幅值增大而增大;系统随轧制速度变化出现阵发性混沌运动,结合最大Lyapunov指数曲线得到稳定轧制时的速度范围。研究结果为抑制轧机振动和保障轧机稳定运行提供了理论参考。     

含摩擦和间隙直齿轮副的混沌与分叉研究

齿面摩擦、齿侧间隙及时变啮合刚度是导致齿轮副产生复杂非线性振动的主要因素。以齿轮副啮合点间沿啮合线的相对位移为广义坐标,建立了计及摩擦、间隙及时变刚度等因素的直齿轮副非线性动力学模型,用5~6阶变步长Runge—Kutta法求得系统的各类周期响应和混沌响应。通过对位移响应的FFT分析,发现在计及摩擦时,系统的超谐和次谐响应成分增多;比较不同参数下的Poincaré映射图得出,摩擦使混沌吸引子有所变大,但也可能使其转变为周期吸引子;由系统振动的分叉图及最大Lyapunov指数变化图看出,摩擦导致系统提前进入混沌,但混沌的程度有所降低。     

基于叶轮转子系统下的干气密封轴向振动分析*

为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性,基于干气密封结构特性,建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型,采用待定系数法进行求解,推导得出静环轴向振动幅值表达式;建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型,运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算,分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明:气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大;动、静环振动频率相同、振动幅值相同,说明动、静环的追随性高,其间隙稳定,从而保证干气密封的稳定运行;动、静环位振动幅值与激振力成正比关系,说明激振力严重影响干气密封的稳定性,为提高干气密封的稳定性,应平衡好叶轮的轴向激振力。     

新型钻井振荡器工作原理与振动特性研究

提出了一种新型钻井振荡器。研究振荡器的工作机理,推导出了轴向脉冲激励函数,在此基础上建立了振荡器轴向振动分析模型,得到振荡器在振动下的位移、速度、加速度等关键参数;根据算例参数设计对应的室内实验,并将算例分析结果与实验结果进行对比,验证了振动分析模型的合理性,结果表明,振荡器可以产生平稳的高频微幅振动,使钻柱与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦。研究结果对解决定向井、水平井钻进过程中钻压传递、钻柱磨损、粘卡等问题具有一定的参考意义。     

Influence of force load on the stability of ultrasonic longitudinal–torsional composite drilling system

This study aimed to investigate the problems of system detuning, amplitude attenuation, and even vibration stop after the load was applied to the acoustic system during ultrasonic-assisted vibration processing. In the theoretical part, the overall theoretical model of the ultrasonic longitudinal–torsional composite drilling system (ULTCDS), including the longitudinal–torsional composite horn, transducer, and load was established based on the four-terminal network, combined with the longitudinal and torsional vibration equations of the variable cross-section rod. Also, the influence of the load on the input impedance and output amplitude of the acoustic system was preliminarily analyzed. In the simulation part, the static and dynamic drilling force was simulated by the pre-stressed modal and transient dynamic analyses, and the influence of the force load on the resonant frequency and output amplitude of the system was further explored. In the experiment part, the static force loading test and the ultrasonic drilling test of titanium alloy were designed. The micro-morphology of drilling holes under different processing parameters was observed, and the influence of force load on the system characteristics and stability was explored. The results showed that when the system was subjected to a force load greater than 400 N, the system current and frequency were greatly offset, the electromechanical conversion efficiency reduced, and the amplitude was attenuated to below the amplitude at empty load. In the ultrasonic-assisted drilling of titanium alloy processing, the acoustic system undergoes an obvious detuning phenomenon and the drilling quality is attenuated when the current increased by more than 60% and the frequency changed by more than 350 Hz, affecting the stability of the system and the ultrasonic-assisted processing effect.     

微小孔振动钻削力的实验研究

介绍了高灵敏度的微小孔钻削测力仪的结构设计及微小孔钻削力测量系统的工作原理。通过多元正交多项式回归实验 ,得到了微小孔振动钻削力关于振动频率、振幅和进给量的非线性回归方程 ,进而分析了振动参数和切削参数对钻削力的影响 ,为深入研究微小孔振动钻削机理提供了必要的实验手段和有价值的研究方法     

TC4钛合金低频振动钻削切屑形态和钻削力研究

为研究TC4钛合金低频振动钻削过程中切屑形态与钻削参数和振动参数对钻削力（轴向力和扭矩）的影响规律,基于一种自主研制的低频振动刀柄,分别采用单因素法和正交试验法对钛合金进行了低频振动钻削试验,分析了不同钻削条件下的切屑形态和钻削力,建立了轴向力和扭矩的经验公式,并对钻削力的影响因素进行直观分析与方差分析。结果表明：试验系统在低频振动钻削TC4钛合金时,振幅与进给量之比接近临界断屑值0.81时断屑可靠,排屑顺畅;低频振动瞬时钻削力呈现出规律的正弦波形,钻削力动态分量远大于普通钻削,轴向力和扭矩均值可比普通钻削分别降低10%~15%和15%~20%;进给量对钻削力影响最为显著,振幅次之,钻削速度影响最小;建立的振动钻削经验模型误差保持在10%以内,可以较为准确地对该试验系统所选参数范围内的钻削力进行预测。     

高速摄影测量在旋冲钻进试验中的应用

利用高速相机记录液压旋冲钻进中钎杆不同冲击压力、旋转压力和推进力情况下的作业过程,同时采用数字图像处理技术,绘制钎杆在旋冲钻进过程中的冲击振动、扭转振动以及试验台架在冲击过程中的受迫振动的曲线,得到钎杆冲击频率和扭振频率、钎杆及试验台架的振幅及其相关性等重要数据。试验结果同传统电测结果基本一致,但与传统传感器测量比较,高速图像采集分析技术是一种无接触、全局化、适用范围广、自动化程度高,精度满足试验要求的量测手段,能够更直观充分地描述旋冲钻进中钎杆振动变化过程。